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Chemical Science:超分子主客體策略增強電子轉移的I型光敏劑

來源:北京師范大學      2022-05-25
導讀: 光動力治療(PDT)具有治療副作用小、選擇性高和幾乎沒有耐藥性等優點,是近年來備受關注的腫瘤治療策略,其利用光敏藥物在特定波長照射下,敏化分子氧生成活性氧來殺滅腫瘤細胞。

   光動力治療(PDT)具有治療副作用小、選擇性高和幾乎沒有耐藥性等優點,是近年來備受關注的腫瘤治療策略,其利用光敏藥物在特定波長照射下,敏化分子氧生成活性氧來殺滅腫瘤細胞。目前,文獻報道的光敏劑大多是通過能量傳遞生成單線態氧(1O2)的II型光敏劑,對氧濃度具有高度的依賴性,而腫瘤的乏氧微環境中會嚴重影響其PDT的療效。與之不同,研究表明通過電子或質子轉移生成活性氧的I型光敏劑對氧氣依賴性低,即使在乏氧條件下仍然可以高效的殺滅腫瘤細胞,在光動力治療中展現出了顯著優勢。

由于能量傳遞和電子轉移是競爭的過程,絕大多數光敏劑的激發態容易通過能量傳遞途徑失活,如何調控光敏劑的激發態的能量傳遞和電子轉移仍極具挑戰。化學學院楊清正團隊前期發展了一類基于BODIPY的I型光敏劑,通過合理的分子設計,降低光敏劑的激發三重態能級,使其低于敏化氧氣到單線態氧所需要的能量,從而阻斷光敏劑和分子氧的能量傳遞途徑,專一通過電子轉移的I型光動力途徑生成活性氧(Angew. Chem. Int. Ed. 202160, 19912–19920)。然而,由于光敏劑的三重激發態能量無法預測,該策略用于設計I型光敏劑仍然存在困難。如果能通過合適的策略促進激發態光敏劑分子的電子轉移,則有望實現通過I型機制產生活性氧。

1. 主客體分子結構及光誘導活性氧生成過程。

基于上述背景,本文提出了通過主客體作用增強電子轉移的超分子策略,有效地將傳統的II型光敏劑轉變為I型光敏劑。以傳統的可通過II型PDT機制生成單線態氧的碘代BODIPY(G)衍生物作為客體分子,富電子的雙柱[5]芳烴(BP5A)作為大環主體和電子給體,制備了超分子聚合物光敏劑(HG)。主客體相互作用拉近了BODIPY與柱芳烴的距離,從而增強了柱芳烴到BODIPY的電子轉移,進一步和分子氧作用通過I型機制生成O2?? (圖1),即使在乏氧條件下,也可以有效殺滅腫瘤細胞。利用主客體作用成功地將II型光敏劑轉換為I型光敏劑,實現了對I型機制和II型機制的有效調控。

客體分子G和大環主體分子BP5A形成的超分子聚合物通過微乳法制備得到的超分子光敏劑具有均勻穩定的形貌,優異的穩定性。選用ABDA和DHE分別作為單線態氧和超氧陰離子自由基的專一指示劑對體系生成的活性氧進行了表征,證實了組裝以后的超分子光敏劑可以有效敏化分子氧生成超氧陰離子自由基,而未組裝的光敏劑單體只能生成單線態氧而不能生成超氧陰離子自由基。利用自由基捕獲劑BMPO結合順磁共振檢測到了超氧陰離子自由基加成后的特征信號峰,進一步證實了超氧陰離子自由基的生成。上述結果表明通過主客體組裝的策略,可以有效地將生成單線態氧的II型光敏劑轉變為生成超氧陰離子自由基的I型光敏劑。

2. a)超分子光敏劑的SEM圖像;b) ABDA的吸收變化曲線;c) DHE的熒光變化曲線;d) BMPO為超氧捕獲劑通過ESR檢測超氧陰離子自由基。

從主體分子BP5A到客體分子G的光誘導電子轉移是HG通過I型光動力機制生成超氧陰離子自由基的決定性步驟。本文利用循環伏安法測定了電子給體和電子受體的氧化電位,進一步結合它們的吸收光譜,計算得到它們的HOMO能級和LUMO能級,通過能級分析表明,當化合物G被光激發后,BP5A HOMO軌道上的電子可以轉移到G*的HOMO軌道生成G??,然后再將電子轉移到O2生成O2??。進一步的細胞實驗研究表明,該超分子光敏劑即使在乏氧條件下,也可以有效生成超氧陰離子自由基,表現出良好的細胞毒性。

3. a, b)化合物GBP5A的循環伏安圖;c)化合物GBP5AHOMO能級和LUMO能級示意圖。

綜上所述,本文提出的主客體對電子轉移增強的超分子策略,成功地將已知的II型光敏劑轉變為I型光敏劑。這種簡單、高效、通用的策略,為開發高效的I型光敏劑提供了新思路。

北京師范大學為第一完成單位。該研究得到國家自然科學基金、化學學院的資助和支持。相關成果以題為“A host–guest strategy for converting the photodynamic agents from a singlet oxygen generator to a superoxide radical generator”發表在《Chemical Science》上。文章第一作者為北京師范大學化學學院博士生滕坤旭,通訊作者為楊清正教授。

原文連接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/sc/d2sc01469f

參考資料:http://www.chem.bnu.edu.cn/kydt/245548.html


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